Übernahme der Roboter

Michael Corban, Chefredakteur, KEM Konstruktion

Roboter erobern nach und nach immer mehr Einsatzbereiche – und treten dabei in Interaktion zu ihrer Umwelt. Deshalb ist die Frage naheliegend, ob es nicht sinnvoll ist, zur Steuerung der Roboter auf die vorhandene Steuerung der Maschine beziehungsweise Fertigungszelle zurückzugreifen. „Unternehmen stehen heute verstärkt vor der Herausforderung, Roboter möglichst schnell und einfach in ihre Herstellungs- und Weiterverarbeitungsprozesse zu integrieren“, berichtet Philipp Kremer, Marktsegmentmanager Kunststoff und stellvertretender Leiter der Division Machine Automation bei der Kuka Roboter GmbH in Augsburg. „Vom Bediener vorzunehmende Modifikationen, wie etwa Nachrüstungen, sollten sich entweder automatisch auf den Roboter auswirken oder wenigstens ergonomisch den Vorgaben der Maschinenbedienung folgen.“ Darüber hinaus sollten alle zellenbezogenen Bedienhandlungen unter Einschluss des Roboters gemäß dem Prinzip des ‚Single Point of Operation‘ durch nur eine Bedieneinheit vorgenommen werden können. „Um mit anderen Steuerungen kommunizieren zu können, beispielsweise anderen Maschinen oder externen Prozesssteuerungen, ist es von Vorteil, wenn die Robotersteuerung Mainstream-Technologien aus dem IT-Umfeld nutzt“, so Kremer weiter. „Standardisierte Kommunikationsprotokolle auf syntaktischer und semantischer Ebene lassen sich so direkt nutzen.“

Mathias Schneidler, Marketing Manager bei der Omron Electronics GmbH in Langenfeld, befürwortet eine vollständige Integration, denn die Vorteile lägen auf der Hand: „Der Anwender programmiert die komplette Anlage einschließlich Robotik über eine Schnittstelle und mit einer einheitlichen Programmiersprache.“ Zudem läge das komplette Maschinenprogramm als ein einziges Projekt vor – es sei keinerlei Schnittstellenproblematik zu beachten. „Das komplette Maschinenprogramm läuft auf einer gemeinsamen Hardware, einschließlich der Roboterkinematik; Laufzeitprobleme und Dateninkonsistenz gehören der Vergangenheit an.“

Etwas anders sieht man das bei Yaskawa, obgleich man auch hier den Markttrend der stärkeren Integration von Robotern in bestehende Motionzellen erkannt und bereits seit längerem mit entsprechenden Produkten – dabei programmiert die SPS oder eine Yaskawa-fremde Motion-Steuerung den Roboter – reagiert hat, wie Tilo Dobmeier, Leiter Technisches Backoffice RO bei der Yaskawa Europe GmbH, Robotics Division, in Allershausen erläutert. „Wir gehen jedoch einen anderen Weg, bei dem wir den Roboter nicht auf die reine Mechanik reduzieren und die Bewegung an eine Fremdsteuerung übergeben, sondern wir belassen die bewährte Bewegungssteuerung bei der Robotersteuerung.“ Damit habe der Endkunde alle Vorteile: die Programmierung des Roboters analog eines Servomotors in seiner bekannten SPS-Umgebung, aber die Bewegungsqualität des Roboters von Yaskawa.

Fragt man die Automatisierungsanbieter – und damit die Hersteller industrieller Steuerungstechnik –, nach den Möglichkeiten der Integration der Robotik, zeigt sich ein recht einheitliches Bild. „Die Vorteile der Roboterintegration sind vor allem höchste Produktivität, hohe Energieeffizienz, ein geringerer Footprint und der Einsatz nur eines Engineering-Tools“, fasst Tomas Prchal, Global Technology Manager CNC and Robotics bei der Bernecker+Rainer Industrie Elektronik Ges.m.b.H. (B&R) im österreichischen Eggelsberg zusammen. „Höchste Produktivität wird erreicht, weil Roboter und Maschine zeitsynchron laufen durch die Nutzung eines gemeinsamen Netzwerkes – wobei unsere Kunden hier von der hohen Performance von Powerlink profitieren. Eine hohe Energieeffizienz ergibt sich durch die Nutzung eines gemeinsamen DC-Busses für Maschinen- und Roboterachsen; und da nur eine Steuerung und ein Antriebssystem notwendig sind, reduziert sich auch der Footprint – dadurch wird nicht nur Platz im Schaltschrank gespart, sondern gleichzeitig sinken die Anschaffungs- und Wartungskosten. Schließlich werden mit der Automatisierungs-Software Automation Studio Maschinensteuerung und Robotik gemeinsam programmiert – auch Simulation, Inbetriebnahme, Fernwartung und webbasierte Diagnose laufen über das gleiche Tool.“ Grenzen der Integration sieht CNC- und Robotik-Experte Tomas Prchal nicht, vielmehr könnten durch die optimale Kombination von Hardware, Software und Powerlink problemlos komplexe Roboterkinematiken mit aufwendigen Mehrachs-Systemen gemeinsam gesteuert und vor allem hochpräzise synchronisiert werden.

„Es macht in vielen Applikationen Sinn, einen Roboter wie einen Teil der Maschine mit in die Maschinensteuerung zu integrieren“, betont auch Dr. Josef Papenfort, Produktmanager Twincat bei der Beckhoff Automation GmbH & Co. KG in Verl. So könnten Abläufe optimal aufeinander abgestimmt werden. Die Verler bieten dazu zwei mögliche Integrationswege an:

Detlef Stork, Technologiemanager Motion bei der Aerzener Lenze Automation GmbH, verweist vor allem auf die Bedeutung der Roboter bei der Herstellung kleinster Losgrößen zu den Bedingungen einer Großserienproduktion: „Roboter bringen die nötige Flexibilität in die Produktionsanlagen – eine enge Vernetzung und Integration sind dabei ein Muss.“ Hochgradig modulare Produktionsmaschinen, in denen mehrere Funktionseinheiten ein Produkt oder Werkstück gemeinsam synchron bearbeiten, bräuchten den höchsten Integrationsgrad. „Wir haben hierfür einen vollständigen Roboterkern in unsere Steuerungstechnik integriert. Mit dem können die Bewegungsbahnen unterschiedlicher Kinematiken – wie Portale, Scara-, Delta- und Knickarm-Roboter – einfach gesteuert werden.“ Standards wie mxAutomation böten dem Programmierer zudem maximale Transparenz; Programmierung, Parametrierung oder Fehlerdiagnose könnten auf diese Weise über die Maschinensteuerung erledigt werden.

Für Detlef Stork von Lenze ist klar, dass die Anwender maximale Herstellerunabhängigkeit wollen und daher offene Schnittstellen fordern – und damit die Verwendung von Standards, wie beispielsweise mxAutomation oder PLCopen. „So hat der Kunde die Freiheit, den für die jeweilige Aufgabenstellung passendsten Roboter einzusetzen.“ Offenheit gegenüber einer Vielzahl von Steuerungen sei mit Sicherheit von Vorteil, meint aus Sicht der Roboterhersteller auch Philipp Kremer von Kuka. „Die Kuka-Schnittstelle Kuka.PLC mxAutomation leistet dies bereits – mit ihr wird der Bewegungsablauf unserer Roboter komplett aus der SPS, CNC oder beliebigen anderen Fremdsteuerungen sowie sogar Embedded Controllern programmierbar.“ Das bedeutet: Ohne besondere Kenntnisse der Roboterprogrammierung lässt sich das Roboterprogramm mit den Werkzeugen der Fremdsteuerungs-Programmierung unter anderem für Steuerungen von Siemens, Rockwell, B&R, Codesys, Beckhoff, Lenze oder LabView vollständig erstellen.

Bei Beobachtung des Marktes von Robotik- und Steuerungsanbietern fällt allerdings auf, dass sich gelegentlich Unternehmen auch gezielt zusammentun, wie etwa Comau mit B&R. Eine gute Partnerschafft erhöht die Benutzerfreundlichkeit der integrierten Robotik“, sagt Tomas Prchal von B&R. „Damit meine ich alle ‚mechanischen‘ Aspekte der Robotik – Auswahl des passenden Roboters mit Verkabelung, Lieferung, Garantie, Service etc.“ Deshalb habe man gemeinsam mit Comau das Lösungskonzept openRobotics entwickelt, mit dem sich Comau-Roboter nahtlos in Maschinen- und Produktionslinien mit Automatisierungskomponenten von B&R integrieren lassen. „Das ermöglicht ein hohes Maß an Benutzerfreundlichkeit, Leistung und Präzision; und für die Entwicklung einer Roboterapplikation stellen wir die vorgefertigten Bausteine der Mapp Technology zur Verfügung – diese sind allerdings unabhängig vom jeweiligen Roboterhersteller.“

„Offenheit gegenüber Drittanbietern ist existentiell wichtig – sowohl für den Anbieter von Automatisierungslösungen als auch für den Maschinenbauer“, bestätigt auch Mathias Schneidler von Omron Electronics, wozu inzwischen auch der Robotikspezialist Adept gehört. „Sauber definierte und offengelegte Schnittstellen sind ein Kernthema von Industrie 4.0; und Omron Adept bietet an dieser Stelle in den Robotersteuerungen eine definierte ePLC-Schnittstelle an, die es erlaubt, mit einer Vielzahl von Steuerungen auf dem Markt zu kommunizieren.“ Die Roboterkinematik bleibe somit in der Robotersteuerung prozessnah erhalten und der Roboter könne über die PLC (IEC-61131-3-konform) gesteuert werden. Auch Dr. Josef Papenfort betont, dass Beckhoff schon immer eine Offenheit in der Nutzung von Komponenten bevorzuge. „Natürlich wird diese Offenheit von uns auch in der Einbindung von Robotern weiter vorangetrieben – es wird immer Beckhoff-Lösungen für verschiedene auf dem Markt vorhandene Roboter geben.“

Betrachtet man die Kommunikation von Steuerung zu Roboter und übergeordnet auch von der einzelnen Fertigungszelle mit den höheren Ebenen der Automatisierungspyramide, stellt sich die Frage, ob die Integration durch Aspekte der Industrie 4.0 einfacher wird und welche Rolle dabei das M2M-Protokoll OPC UA spielt – insbesondere dann, wenn die Kommunikation via OPC UA per TSN (Time-Sensitive Networking) echtzeitfähig wird. „Wir haben als aktives Mitglied der Industrie-4.0-Plattform im März 2015 eine Initiative gestartet, um den sich abzeichnenden Kommunikationsstandard OPC UA (IEC 62541) für den Maschinenbau um die wichtige Echtzeit-Eigenschaft durch TSN zu erweitern“, berichtet dazu Philipp Kremer von Kuka Roboter. Die Initiative wird von mehreren Verbänden und Unternehmen unterstützt – unter anderem vom Industrial Internet Consortium (IIC) sowie ABB, Bosch Rexroth, B&R, Cisco, General Electric, Kuka, National Instruments (NI), Parker Hannifin, Schneider Electric, SEW-Eurodrive und TTTech.

„Basierend auf offenen Standards ermöglicht es OPC UA den Branchen, Geräte verschiedener Hersteller von verschiedenen Anbietern zu verwenden, wobei diese komplett interoperabel sind“, so Kremer weiter. Die teilnehmenden Unternehmen, darunter führende Automations- und Informationstechnologieanbieter, hätten zugesagt, OPC UA TSN in ihren zukünftigen Produktgenerationen zu unterstützen. Gleichzeitig spricht der Kuka-Mitarbeiter eine Einladung aus: „Andere Unternehmen, die diese gemeinsame Vision einer vereinheitlichten Kommunikation zwischen industriellen Steuerungen und der Cloud teilen, sind willkommen, sich anzuschließen und zu dieser Zusammenarbeit beizutragen.“

OPC UA TSN biete damit alle offenen Standard-Bausteine, die benötigt würden, um die Kommunikation für industrielle Automation zu vereinheitlichen, so Kremer: „Es erlaubt die weitgehende Annäherung von Informationstechnologie und Betriebstechnik – eine fundamentale Voraussetzung für die Realisation des industriellen Internet of Things und von Industrie 4.0.“

Dass der offene Standard OPC UA das nahtlose Zusammenspiel unterschiedlicher Komponenten einer Produktion in naher Zukunft massiv erleichtern wird, sieht auch Sebastian Sachse so, Technology Manager Open Automation bei Bernecker+Rainer (B&R). „Bereits heute ermöglicht OPC UA, dass etwa Steuerungen unterschiedlicher Hersteller mit einem Scada-System kommunizieren können – ohne dass dazu spezielle Schnittstellen oder Gateways nötig sind.“ Durch die Erweiterung von OPC UA um einen Publish/Subscribe-Mechanismus und die Ausweitung des Ethernet-Standards um TSN werde diese Technologie für zahlreiche weitere Anwendungsfälle einsetzbar – OPC UA TSN sei als Kommunikationsstandard zwischen Maschinen sowie von Maschinen zu übergeordneten Systemen und in die Cloud gesetzt.

„Für die Achsensynchronisierung in harter Echtzeit wird OPC UA TSN aber nach derzeitigem Wissensstand nicht ausreichen“, so Sachse weiter. Das sei aber auch gar nicht notwendig. „Seit Dezember 2016 gibt es eine Companion Specification, die definiert, wie Powerlink-Daten in OPC-UA-Daten übersetzt werden und umgekehrt – die durchgängige Kommunikation von der Sensor-/Aktor-Ebene bis hinauf in die Cloud ist also mit OPC UA TSN und Powerlink optimal abgedeckt.“

Auch bei Beckhoff sieht man das ähnlich, wie Dr. Josef Papenfort betont: „Für eine synchrone Kopplung von Maschine und Roboter – wie beispielsweise beim Tracking – wird es auch in der Industrie-4.0-Welt nicht ohne einen deterministischen Feldbus wie Ethercat gehen.“ Natürlich sei man aber an der Entwicklung eines TSN-Standards beteiligt. „Mit dem OPC-UA-Pub/Sub-Verfahren ist ein erster Schritt in Richtung OPC UA mit TSN getan – im Moment spielt TSN aber noch keine Rolle, wiewohl wir sehr genau beobachten, wie die Entwicklung hier vorangeht.“

In der Summe seien aber die Mechanismen, die die Integration von Steuerungstechnik und Robotik einfacher oder überhaupt möglich machten, die Mechanismen, die auch für Industrie 4.0 der Schlüssel seien, ergänzt Detlef Stork von Lenze. „Das sind Standards wie PLCopen oder OPC UA.“ Letzterer sei ein Informationsmodell, das unabhängig von Übertragungsprotokollen die horizontale und vertikale Kommunikation in der Fabrikhalle ermögliche – und das herstellerübergreifend. „OPC UA kann also durchaus ein Treiber für die Digitalisierung in der Fabrik werden. TSN spielt allerdings heute noch keine große Rolle bei der Automatisierung von Maschinen. Seine Bedeutung für die Echtzeit-Kommunikation unterschiedlicher Komponenten wird jedoch mit zunehmender Verschmelzung der Ebenen der Automationspyramide steigen.“ Wie schnell sich diese Entwicklungen im Maschinenbau durchsetzen würden, bleibe abzuwarten.

Spannend ist darüber hinaus die Frage, wie sich solche integrierten Konzepte konkret angehen lassen. „Die Integration von Kuka-Robotern über mxAutomation ist ein Paradebeispiel“, erläutert Lenze-Mitarbeiter Stork. „Unser Ziel ist es, Roboter genauso in unser System zu integrieren, wie wir Roboterkinematiken einbinden.“ Weil für diese Third-Party-Roboter die gleichen einfachen Bewegungsbefehle genutzt werden könnten, bleibe der Anwender in seiner bekannten Welt und sei enorm schnell und effektiv. „Einfachste standardisierte Vorgaben von Bewegungsprofilen für den Roboter sind über die Standards der PLCopen Part4 möglich.“

Das Herz der Omron-Automatisierungsplattform Sysmac ist der Maschinencontroller NJ/NY, ergänzt Marketing Manager Mathias Schneidler. „Der Begriff ‚Maschinencontroller‘ wurde ganz bewusst gewählt, weil dieser skalierbare Controller alle Disziplinen der modernen Automatisierungstechnik beherrscht – sowohl Standard SPS-Funktionen, Motion, Maschinensicherheit, Bildverarbeitung, Visualisierung als auch Roboter-Steuerung werden hier abgebildet.“ Programmiert, simuliert und parametriert wird das gesamte System über die bewährte Sysmac Studio Software. „Wichtig für uns und unsere Kunden ist die komplette Skalierbarkeit des Systems, sowohl bezüglich der Anzahl der Achsen, als auch bezüglich der Performance und Funktionalität.“